KR20150112870A - 레이저 가공 강화 유리 - Google Patents

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KR20150112870A
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tempered glass
cuff
focal spot
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KR1020150042350A
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레코우 매튜
초우 윤
폴레토 니콜라스
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일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
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Abstract

우선 레이저 가공되는 내부 특징부와 근접한 제 1 표면에 제 1 표시(scribe)를 레이저 가공하여 내부 특징부가 강화 유리 시트 또는 패널에 레이저 가공될 수 있다. 다음에 마주보는 제 2 표면과 근접한 레이저 빔의 빔 웨이스트를 위치설정하고 레이저 빔을 제 1 표면으로부터 강화유리 패널을 통하도록 집중시켜서 레이저 가공될 수 있다. 상기 내부 특징부는 상기 내부 특징부를 둘러싸는 커프로부터 재료를 제거하는 동안 빔 웨이스트를 제 2 표면으로부터 제 1 표면까지 위치설정하여 레이저 가공된다. 상기 레이저 빔 웨이스트가 마지막에 제 1 표면 재료와 근접하게 위치할 때, 레이저 가공에 의해 형성된 내부 형상은 둘러싸는 유리로부터 용이하고 깨끗하게 제거된다.

Description

레이저 가공 강화 유리{LASER MACHINING STRENGTHENED GLASS}
기술분야
본 공개내용은 일반적으로 레이저 공정, 특히 레이저 공정 강화유리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
배경
예를 들어, 이동 전화 및 테블릿 컴퓨터와 같은 휴대용 컴퓨팅 장치를 포함한 현재의 소비자 전자장치들은 유리 스크린을 가질 수 있고 상기 유리 스크린은 장치가 가진 적어도 한 개의 표면 중 상당한 부분을 차지한다. 상기 장치들은 손으로 고정하도록 설계될 수 있기 때문에, 상기 유리 스크린은 유리 스크린을 파괴하거나 크랙을 형성할 수 있는 다양한 환경요인들에 노출될 수 있다. 유리 스크린에 대한 상기 위험을 감소시키기 위해, 장치 제조업자들은 화학적으로 또는 열적으로 강화되거나 템퍼링된(tempered) 유리를 이용하여 상기 스크린들을 제조할 수 있다.
요약
레이저 처리 시스템으로 강화 유리 기질을 레이저 가공하는 것이 여기서 설명된다. 하나의 방법은 강화 유리 시트의 제 1 표면과 근접한 제 1 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하는 단계, 상기 촛점 스폿이 상기 제 1 위치에 있는 동안 레이저를 이용하여 폐쇄된 경로를 따라 상기 강화 유리 시트로부터 재료를 제거하여, 상기 폐쇄된 경로를 따라 연장되는 강화 유리 시트의 제 1 표면에 그루브를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 상기 그루브를 형성한 후에, 상기 강화 유리 시트의 제 2 표면과 근접한 제 2 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하고, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면과 마주보는 단계, 및 커프를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 커프는 촛점이 제 2 위치에 위치하는 동안 레이저를 이용하여 제 2 위치에서 상기 강화 유리 기질로부터 재료의 층을 제거하여 새롭게- 노출된 표면을 형성하는 단계, 및 이전의 층을 제거하여 형성된 각각의 새롭게- 노출된 표면과 근접한 위치에 촛점 스폿을 위치 재설정하여 레이저를 이용해 강화 유리 시트로부터 적어도 한 개의 추가 재료 층을 상기 새롭게- 노출된 표면으로부터 시작하고 상기 제 1 표면에서 종료하여 제거하는 단계에 의해 형성된다. 상기 커프는 상기 폐쇄된 경로를 따라 그루브와 접촉하며 상기 강화 유리 시트의 제 1 표면과 교차한다.
여기서 설명하는 장치는 메모리 및 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 강화 유리 시트의 제 1 표면과 근접한 제 1 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하고, 상기 촛점 스폿이 상기 제 1 위치에 있는 동안 레이저를 이용하여 폐쇄된 경로를 따라 상기 강화 유리 시트로부터 재료를 제거하여 상기 폐쇄된 경로를 따라 연장되는 강화 유리 시트의 제 1 표면에 그루브를 형성하며, 상기 그루브를 형성한 후에, 상기 강화 유리 시트의 제 2 표면과 근접한 제 2 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하고, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면과 마주보며 커프를 형성하기 위해, 상기 메모리내에 저장된 명령들을 수행하도록 구성된다. 상기 명령은 촛점이 제 2 위치에 위치하는 동안 레이저를 이용하여 제 2 위치에서 상기 강화 유리 기질로부터 재료의 층을 제거하여 새롭게- 노출된 표면을 형성하고, 이전의 층을 제거하여 형성된 각각의 새롭게- 노출된 표면과 근접한 위치에 촛점 스폿을 위치 재설정하여 레이저를 이용해 강화 유리 시트로부터 적어도 한 개의 추가 재료 층을 상기 새롭게- 노출된 표면으로부터 시작하고 상기 제 1 표면에서 종료하여 제거하여 상기 커프를 형성할 수 있다. 상기 커프는 상기 폐쇄된 경로를 따라 그루브와 접촉하며 상기 강화 유리 시트의 제 1 표면과 교차한다.
상기 실시예들과 다른 실시예들의 변형 및 세부사항들이 아래에서 더욱 상세하게 설명된다.
여기서 상기 설명은 첨부된 도면들을 참고하고 동일한 도면부호들은 몇 개의 도면들에서 동일한 부분들을 표시하고, 그리고:
도 1은 여기서 설명되는 실시예를 따르는 레이저 가공 시스템을 도시한 개략도;
도 2는 여기서 이용되는 용어들을 설명하기 위해 이용된 유리 기질의 레이저 가공을 도시한 개략도;
도 3은 여기서 설명되는 실시예를 따르는 유리 기질의 레이저 가공을 도시한 개략도;
도 4는 여기서 설명되는 실시예를 따르는 내부 특징부들을 유리 레이저 가공의 예들을 촬영한 사진; 및
도 5A- 5D는 여기서 설명되는 실시예를 따르고 레이저 가공된 특징부들을 포함한 유리의 상세부분들을 밀착하여 촬영한 사진들.
상세한 설명
강화된 유리(또는 여기서 템퍼링된 유리로서 설명되는)의 이용은 예를 들어, 이동 전화, 테블릿 컴퓨터, 미디어 플레이어 및 랩탑 컴퓨터 디스플레이와 같은 휴대용 컴퓨팅 장치들을 포함한 다양한 적용예들에 대해 장점을 가진다. 실리콘 기초 유리의 기질들이 유리 시트의 표면들을 어떤 화학물질에 노출시켜서 강화될 수 있다. 예를 들어, 칼륨염속에 어떤 형태의 유리를 잠기게 하여, 유리 표면에서 나트륨을 상대적으로 큰 칼륨원자들로 교체하는 공정을 형성하고 표면과 근접하고 표면에 있는 유리 부분들을 압축상태로 만들고 유리시트의 내부는 인장상태로 만드는 변형을 형성한다.
강화된 유리내부에 압축 및 인장 영역들이 존재하면 톱 또는 블레이드들을 이용하는 전통적인 기계식 유리절단 기술과 관련한 문제들이 발생할 수 있다. 강화된 유리 기질내에 선형 절단을 형성하기 위해 레이저가공이 전통적인 톱날과 블레이들을 교체할 수 있지만, 강화된 유리 기질내에 내부 특징부들을 효율적으로 레이저 가공하는 것은 기질의 작은 곡선 특징부 형태, 커프 측벽 테이퍼(kerf sidewall taper) 및 크랙킹과 관련한 문제 때문에 어려울 수 있다.
강화 유리의 압축이 유리표면과 근접한 위치의 영역들에서 600 MPa을 초과할 수 있다. 강화된 유리의 내부 영역들은 90 MPa을 초과하는 인장력을 받을 수 있다. 예를 들어, 700 μm 두께의 강화된 유리는 약 40 MPa의 내부인장력을 가질 수 있는 반면에, 400 μm 두께의 강화된 유리는 약 91 MPa의 내부인장력을 가질 수 있다.
여기서 설명에 의하면, 한 개이상의 내부 특징부들이 강화 유리내에 형성된다. 내부 특징부는 강화 유리 기질내에 레이저 가공되고 기질의 변부에 도달하지 않고 기질의 상부 표면과 기질의 하부 표면사이에서 재료가 제거되는 특징부로서 정의될 수 있다. 레이저 가공된 특징부는 레이저 가공 공정에 의해 기질로부터 제거되는 특징부의 내부에 블랭크(blank)를 포함할 수 있고 상기 기질내부에 개방된 특징부를 제공하기 위해 용이하게 제거될 수 있다.
우선, 유리 시트 또는 기질의 제 1 표면에 얕은 절단부 또는 트렌치(trench)가 레이저 가공될 수 있다. 상기 기질의 제 1 또는 상부 표면에 형성된 트렌치는 제 1 표면에 레이저 펄스의 빔을 향하게 하고 상기 표면위에서 경로를 따라 상기 레이저 펄스 빔을 이동시켜서 형성될 수 있다. 상기 기질의 불필요한 크랙킹은 적절한 레이저 파라미터를 선택하고 상기 트렌치의 깊이를 기질의 표면과 근접한 압축 영역으로 제한하여 방지될 수 있다.
트렌치를 절단한 후에, 레이저 펄스는 유리기질의 제 2 또는 마주보는 표면에서 상기 기질을 통과하도록 집중될 수 있다. 상기 레이저 파라미터는 강화유리가 투명한 펄스 영향(pulse fluences)과 파장들에서 펄스를 형성하도록 선택될 수 있어서, 레이저 빔 펄스는 유리 기질의 제 1 표면을 통하여 향하게 되고 유리기질의 내부를 통해 유리기질의 제 2 또는 하부 표면과 근접하게 또는 하부표면에 집중되는 것이 허용된다. 상기 방법에 의해 레이저 빔 펄스를 집중시키면 레이저빔이 상기 기질과 충돌하는 방향과 반대방향을 향해 기질 표면으로부터 유리기질이 레이저가공될 수 있다.
기질의 하부 표면에서 시작하여 재료를 제거하면 레이저 파라미터들을 적절하게 선택하여 하기 상세한 설명과 같이 재료는 "칩"으로 제거될 수 있다. 상기 기질은 하부로부터 상부로 레이저가공되기 때문에, 상기 칩들이 상기 표면으로부터 분리될 때 커프(kerf)를 형성하기 위해 상기 기질로부터 제거되는 칩들은 손상을 주지않고 방해되지 않고 벗어나 떨어질 수 있다. 커프를 표시하는 경로에 레이저빔을 반복적으로 향하게 하면, 재료는 기질의 하부 표면으로부터 상부 표면까지 관통 절단부(through-cut)를 형성하도록 제거될 수 있다. 상기 트렌치를 상기 관통 절단커프 외부에서 근접하도록 상부 표면내에 배열하면 압축 영역에서 상기 표면과 근접하거나 상기 표면내에 형성되는 모든 크랙들이 상기 커프와 트렌치사이의 작은 영역내에 포함될 것이다.
도 1은 여기서 공개된 기술을 실시하기 위해 이용될 수 있는 레이저 처리 시스템(100)을 도시한다. 상기 레이저 처리 시스템(100)은, 고체상태의 섬유 레이저 또는 다른 레이저일 수 있고 적용예에 의존하는 레이저(102)를 가진다. 상기 레이저(102)는 레이저 펄스 광학장치(106)에 의해 처리되는 레이저 빔(104)을 방출하고, 상기 레이저 펄스 광학장치는 렌즈와 같은 간단한 광학 부품 또는 원하는 레이저 파라미터에 의존하여 시간 및 공간적인 빔 형성 광학장치를 포함한 훨씬 더 복잡한 조립체일 수 있다. 다음에 레이저 빔(10)은 레이저 조종 광학장치(108)에 의해 선택적인 레이저 필드 광학장치(110)를 통해 기질(112)을 향하게 된다. 기질(112)은 이동 스테이지(motion stage)(116)에 부착된 척(chuck)(114)위에서 지지된다. 상기 예에서 이동 스테이지(116)는 x- 축 선형 모터(118), y-축 선형모터(120) 및 z-축 모터(115)에 의해 제어된다. 레이저 처리 시스템(100)은 레이저 필드 광학장치(110)에 대해 척(114)을 이동시켜 기질(112)에 대해 서로 다른 위치들에서 레이저 빔(100)의 촛점 스폿(focal spot)을 배열하기 위해 z-축 모터(115)를 이용할 수 있다. 상기 z-축 모터(115)를 대신하거나 추가하여, 레이저 처리 시스템(100)은 리포커스(re-focus) 레이저(102)에 대해 상기 광학장치를 이동시키거나 광학장치를 조정하여 공작물(112)에 대해 상기 레이저 빔(100)의 촛점 스폿을 배열하도록 조정 광학장치(108) 또는 레이저 필드 광학장치(110)의 일부분으로서 z-축 제어를 포함할 수 있다.
제어기(122)는 공작물 또는 기질(112)에 레이저 빔(104)을 향하도록 선형 모터(118,120)들을 통해 레이저(102), 레이저 펄스 광학장치(106), 조종 광학장치(108) 및 이동 스테이지(116)를 제어한다. 제어기(122)는 모든 제어기 예를 들어, 중앙 처리 유닛(CPU), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드 온리 메모리(ROM) 및 상기 부품들에 대해 명령 신호를 보내고 입력신호들을 수신하는 입출력 포트들을 포함한 마이크로 프로세서일 수 있다. 명령 신호들은 일반적으로 메모리에 저장된 프로그램밍 명령들에 기초한 출력이고, 상기 프로그램밍 명령의 기능들은 CPU의 로직에 의해 수행된다. 다양한 부품들이 통신 경로를 따라 주요 제어기로서 제어기로부터 및 제어기(122)로 데이터를 전송하는 자신의 제어기들을 포함할 수 있다. 또한, 제어기(122)는 개인용 컴퓨터와 같은 컴퓨터에 포함될 수 있다. 제어기(122)는 외부 메모리를 이용하여 한 개이상의 마이크로프로세서에 의해 구성될 수도 있다.
모든 갯수의 공지된 설계들이 이동 스테이지(116)를 위해 이용될 수 있다. 상기 예에서, y-축 선형 모터(120)는 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 것처럼 표시선(scribe line)을 형성하기 위해 y-축을 따라 향하는 (도면에 도시되지 않은) 레일들을 따라 척(114)을 이동시킨다. x-축을 따라 표시선을 형성하기 위해, x-축 선형 모터(118)는 x-축을 따라 향하는 (도면에 도시되지 않은) 제 2 세트의 레일들을 따라 레일들을 포함한 이동 스테이지 및 척(114)을 이동시킬 것이다. 상기 배열 대신에, 레이저 필드 광학장치(110) 및 선택적으로 레이저(102), 레이저 펄스 광학장치(106) 및/또는 조종 광학장치(108)가 상기 x-축 및 상기 y- 축(및 선택적으로 z-축) 중 한 개를 따라 이동가능한 헤드내에 장착될 수 있는 반면에, 예를 들어, 레일들을 따라 이동하는 선형 모터(114)를 이용하여 상기 x-축 및 상기 y- 축 중 다른 한 개에서 이동하도록 단일 이동 스테이지(116)가 구성된다. 또 다른 선택은 레이저 필드 광학장치(110) 및 선택적으로 레이저(102)를 지지하는 헤드, 레이저 펄스 광학장치(106) 및/또는 레이저 빔 조종 광학장치(108)를 장착하여 척(114)이 고정된 기저부에 장착될 때 각각의 x-축 및 상기 y- 축( 및 선택적으로 z-축)을 따라 이동할 수 있다. 레이저 처리 시스템(100)내에 회전운동이 포함될 수도 있다.
레이저 빔 조종 광학장치(108)는 일반적으로 검류계(galvanometers), 신속 조종 거울, 피에조-전기 장치, 전자- 광학 모듈레이터, 음향 광학(acousto- optical) 모듈레이터 등을 포함한다. 빔 조종 광학장치(108)와 같은 빔 위치설정 장비는 상대적으로 빠른 위치설정기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 빔 조종 광학장치(108)의 한 실시예는 x-축 및 y-축에 각각 배열되고 흔히 "갈보스(galvos)"라고 하는 두 개의 검류계- 기초 스캐너들을 포함할 수 있다. 각각의 갈보는 세 개의 주요 부품들- 검류계, 거울(또는 거울들) 및 상기 시스템을 제어하는 서보 드라이버를 포함한다. 상기 갈보는 각각의 축을 따라 배열되고 연속적으로 한 방향으로 스피닝(spinning) 운동하는 대신에 한쪽 측부로부터 다른 한쪽 측부까지 고속으로 각각의 거울(들)을 회전시켜서 예를 들어, 측부- 대- 측부 경로를 제공한다.
레이저빔은 레이저 펄스들이 레이저로부터 방출되고 레이저 광학장치 또는 자유공간을 통해 목표 또는 공작물까지 운동할 때 레이저펄스들이 형성하는 체적이다. 레이저빔은 엔벨로프(envelope)로서 정의되고 레이저펄스들이 통과함에 따라 레이저펄스들은 엔벨로프내에서 적어도 어떤 에너지를 유지한다. 도 2를 참고할 때, 펄스화된 레이저 빔(202)이 강화유리 시트 또는 기질(200)에 적용된다. 가장 작은 단면적을 가진 영역으로 집중되는 레이저빔(202) 부분은 촛점 스폿(212)으로 언급될 수 있다. 레이저빔(202)이 촛점 스폿(212)으로 접근하고 떠날 때 레이저빔(202)의 경로가 좁아지고 넓어짐에 따라 레이저빔은 촛점 스폿(212)과 근접하게 빔 웨이스트(beam waist)(214)를 형성할 수 있다. 상기 레이저빔(202)이 빔 웨이스트(214) 및 촛점 스폿(212)을 통과할 때, 레이저빔(202)이 통과하는 단면적은 감소하기 때문에 (예를 들어, 제곱 센티미터당 주울(Joules)로 측정되는) 플루언스(fluence), 또는 단위 면적당 에너지는 증가한다. 상기 플루언스는 레이저빔(202)이 촛점 스폿(212)을 통과할 때 최대값에 도달하고 다음에 레이저빔(202)이 빔 웨이스트(214)에 의해 촛점 스폿(212)을 떠날 때 감소한다.
상부로부터 하부 표면까지 커프가 레이저가공될 수 있다. 그러나, 상기 가공에 의해 형성된 부스러기는 형성될 때 상기 커프내에 수집될 수 있다. 커프내부의 부스러기는 열에너지를 흡수하고 재전달(re transmit)하여, 가공속도를 느리게 하고 부스러기로부터 열의 재전달에 따른 크랙킹과 같은 열 관련 틈새를 잠재적으로 형성할 수 있다. 대신에, 도 2의 배열을 부분적으로 이용하여, 레이저 가공은 하부로부터 상부로 수행될 수 있다. 레이저 빔(202)은 레이저 처리 시스템(100)과 같은, 레이저 처리 시스템에 의해 강화 유리 기질(200)의 상부 또는 제 1 표면(204), 압축 영역(208) 및 인장 영역(210), 다시 압축 영역(208)을 통하게 향하고 다음에 하부 또는 제 2 표면(206)을 통해 강화유리 기질(200)을 떠난다. 빔 웨이스트(214)의 촛점 스폿(212)은 강화유리기질(200)의 하부 또는 제 2 표면(206)에서 또는 근처에서 예를 들어, z-축 모터(115)를 이용하거나 레이저빔(202)을 리포커싱하여 위치설정될 수 있다. 상기 설명과 같이, 레이저펄스에 대한 재료의 투명성은 파장 및 플루언스의 기능일 수 있다. 선택된 파장과 플루언스에서 강화유리 기질(200)의 제 1 또는 상부 표면(204)를 통해 레이저 펄스의 빔을 향하게 하고 레이저 펄스 빔의 촛점 스폿(212)을 상기 기질(200)의 하부 또는 제 2 표면(206) 아래에서 근접하게 위치설정하면, 커프에 부스러기를 추가하지 않고도 재료를 제거하기 위해 강화 유리기질의 하부 표면에서 칩들이 형성될 수 있다.
새롭게 형성된 표면에 또는 근처에 레이저 빔 촛점 스폿의 z- 높이를 유지하기 위해 강화 유리 기질(200)의 제 2 표면(206)에 대해 레이저 빔 촛점 스폿(212)을 이동시키면, 상기 레이저 빔의 각 펄스에 의해 발생된 칩들이 결합되어 단일 칩보다 더 넓고 긴 커프를 형성하도록 레이저 펄스들이 위치할 수 있다. 운동 제어 또는 리포커싱하여 새롭게 형성된 표면에 레이저 빔 펄스들을 반복적으로 위치 설정하면, 하부표면으로부터 상부표면까지 강화유리 기질을 완전히 통과하여 상기 커프를 기계가공하기 위해 원하는 치수와 형상의 커프가 발생될 수 있다.
위에서 간단하게 설명한 것처럼, 레이저 가공 공정이 압축 영역으로부터 내부의 인장 영역까지 전파됨에 따라 레이저 가공 강화유리 기질들은 내부 인장 영역에서 빠르고 제어되지 않은 크랙킹을 발생시킬 수 있다. 특정 이론에 구속되지 않고, 레이저 파라미터들을 조정하여 기질의 표면으로부터 재료를 "칩핑(chipping)"하여 강화유리 기질로부터 재료를 제거하기 때문에 공개된 실시예들의 특징들은 빠르고 제어되지 않은 크랙킹을 방지한다. 상기 공정에서, 촛점 스폿의 크기와 대략 동일한 직경 및 약 일 또는 이 마이크론 두께를 가진 얇은 레이저 스폿- 크기의 재료 칩이 일 피코초(picosecond) 레이저 펄스에 의해 강화유리 기질의 표면으로부터 제거된다. 각각의 칩이 기질로부터 제거됨에 따라, 상기 펄스가 표면으로부터 칩을 균열(fracture)시킨 후에 기질에 잔류하는 잔류 열에너지의 상당 부분이 칩에 의해 운반되어 인접한 영역들로 열전달을 방지한다.
열적 효과이외에, 균열 공학은 제어되지 않은 크랙킹이 발생되는 임계 크랙 길이(critical crack length)가 존재하는 것을 보여줄 수 있다. 상기 임계 크랙 길이 a(σf)는:
a(σf)= (2γE)(πσf 2); 단 (1)
상기 식에 의해 계산될 수 있으며 σf는 적용된 응력이고;
γ는 유리의 표면에너지밀도이며;
E는 영(Young)의 계수이다. 약 91 MPa의 내부 인장력을 가진 유리에 대해 상기 식은 5μm의 임계 크랙 길이를 가진다. 어떠한 특정 이론에 구속되지 않고, 상기 임계 크랙 길이보다 큰 촛점 스폿 크기가 이용될 때 크랙의 발생이 방지되는 것이 이론화된다. 크랙 발생이 방지되어 인장력을 받는 기질의 영역에서 빠르고 제어되지 않은 크랙킹이 방지될 수 있다. 도 3은 공개된 실시예들의 특징들을 따르는 레이저 가공을 도시하는 강화유리 기질(300)의 단면도이다. 도 3은 각각의 상부 표면(302)과 하부 표면(306)과 근접한 압축 영역(303,305)들을 가진 강화유리 기질(300)을 도시한다. 점선(304,308)들은 각각 표면(302,306)아래에서 압축 영역(303,305)들의 깊이를 표시한다. 인장상태에 있는 내부 영역(310)이 점선(304,308)들사이에 존재할 수 있다.
강화유리 판(300)내에 내부 특징부들을 레이저 가공하는 과정의 제 1 단계는 상부 표면(302)의 압축 영역(303)내에 트렌치(312)를 레이저 가공하는 것을 포함할 수 있다. 트렌치(312)는 제어기(122)의 명령에 응답하여 예를 들어, 조종 광학장치(108), 이동 스테이지(116) 또는 조종 광학장치(108)와 이동 스테이지(116)의 조합을 이용하여 상부 표면(302)에 또는 근처에 레이저 펄스의 빔 웨이스트를 집중시키고 선택된 스캔 속도로 기질(300)의 상부표면(302)에서 경로를 따라 레이저 펄스를 이동시켜서 가공될 수 있다. 트렌치(312)가 대략 촛점 스폿의 폭을 가지고 D1의 평균 경로 반경을 가지며 상부 표면(302)속으로 수 미크론 연장되도록 레이저 빔 펄스 파라미터가 조정되어 트렌치(312)를 형성할 수 있다. 압축 영역(303)을 지나 내부 인장 영역(310)속으로 관통하지 않고 상기 트렌치(312)가 레이저 가공될 수 있도록 레이저 빔 파라미터들이 조정될 수 있다. 트렌치(312)를 압축 영역(303)으로 한정하여 내부 인장영역(310)내에서 궁극적으로 부분적인 파열을 발생시킬 수 있는 제어되지 않은 크랙 전파가 방지된다.
크랙킹을 방지하면서 원하는 정도의 재료제거를 형성하기 위해 선택될 수 있는 레이저 파라미터들은 레이저 파장, 레이저 파워, 펄스 지속시간, 펄스 에너지, 촛점 스폿 크기, 펄스 반복 비율, 편광 및 스캔 속도를 포함한다. 강화유리 기질을 레이저 가공하기 위해 이용될 수 있는 레이저 파라미터의 예들은 266nm 내지 1064nm의 파장, 1와트 내지 50와트의 레이저 파워, 1 펨토초(femtosecond) 내지 100나노초의 펄스 지속시간, 작업 표면에서 1μJ 내지 100μJ의 펄스 에너지, 1μm 내지1001μm의 스폿 크기, 100kHz 내지 10MHz의 펄스반복 비율, 1,000mm/s 내지 100,000mm/s의 원형 편광 및 스캔 속도를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 레이저 파라미터들은 약 515nm의 파장, 약 6.2 와트 내지 14.5와트의 레이저 파워, 약 27ps의 펄스지속시간, 표면에서 약 14.51μJ의 펄스 에너지, 약 121μm의 스폿 크기, 100kHz 내지 10MHz의 펄스 반복 비율 및 약 2,000mm/s 내지 10,000mm/s의 스캔 속도를 포함한다.
앞서 설명한 것처럼 미세한 재료의 "칩"이 인접한 재료내에 크랙을 발생시키지 않고 표면으로부터 분리되기 위해 펄스 당 충분한 에너지를 결합하도록 레이저 펄스 파라미터들이 선택되는 것이 바람직하다. 설명한 것처럼, 레이저 펄스들에 의해 발생되는 칩들은 1 또는 2 미크론의 두께를 가진 레이저 펄스의 촛점 스폿 크기와 대략 동일한 영역일 수 있다. 상기 예에서, 촛점 스폿 크기(즉, 직경)는 약 8- 12μm일 수 있다. 기질(300)의 표면에 대해 레이저 펄스를 위치설정하면, 재료는 원하는 영역에 걸쳐서 반복적인 레이저 펄스들에 의해 원하는 깊이까지 제거될 수 있다. 상기 재료의 제거과정은 레이저 빔의 편광 상태에 의해 영향을 받을 수 있다. 여기서 설명되는 것의 구성은 예를 들어, 레이저 빔을 원형으로 편광시켜서 재료제거의 균일성을 개선할 수 있다. 선형 또는 타원형 편광을 포함한 다른 형태의 편광이 이용될 수도 있다.
도 3을 다시 참고할 때, 강화 유리 기질(300)의 상부 표면(302)내에 트렌치(312)를 형성한 후에, 레이저 처리 시스템은 강화 유리 기질(300)의 하부 표면(306)에 또는 근처에 레이저 펄스들의 촛점 스폿을 위치설정하여 하부 표면(306)으로부터 시작하고 상부 표면(302)에서 종료하는 재료의 제거작업에 의해 커프(320)를 형성한다. 예를 들어, 하기 설명과 같이 하나의 레이저 펄스 또는 개별 레이저 펄스들의 그룹을 폭(Δ)을 따르는 방향을 향하게 하여 전체 폐쇄 경로를 따라 하부 표면(306)에서 시작하여 1 또는 2 미크론의 재료를 칩으로서 제거하고 다음에 촛점 스폿의 z-높이를 상승시켜서 가공되는 표면에 대해 촛점 스폿을 위치설정하는 동안 상기 과정을 반복하여 커프(320)가 형성될 수 있다. 기질(300)에 대해 레이저를 이동시키거나 레이저에 대해 기질(300)을 이동시키기 위해 z- 이동 스테이지를 이용(예를 들어, z- 축 모터(115)를 이용)하여 촛점 스폿이 이동할 수 있어서 촛점 스폿은 기질(300)의 처리 표면에 대해 이동한다. 선택적으로, 레이저의 제어는 직경을 변화시키거나 기계적인 z-축 이동없이 촛점 스폿의 위치를 조정하기 위해 변화될 수 있다. 개별 레이저 펄스들의 그룹이 이용될 때, 이들은 배열된 복수 개의 레이저들에 의해 형성될 수 있어서 레이저 펄스들의 빔들은 꽉 들어찬 육각형 배열과 같은 어떤 규칙적인 패턴 또는 직선 또는 곡선으로 가해진다.
이용되는 레이저 펄스 파라미터들은 상기 파라미터들과 유사할 수 있다. 레이저 파라미터들의 적절한 선택은 집중되지 않은 레이저 펄스들이 강화유리 기질(300)을 손상없이 통과하지만 촛점 스폿이 교차하거나 기질(300)과 근접한 위치들에서 강화 유리 기질(300)을 제거할 정도로 충분한 에너지를 가지는 것을 허용할 수 있다. 각각의 새로운 촛점 스폿 위치는 커프(320)가 초기 가공 표면, 하부표면(306)으로부터 연장될 때 가공되는 현재의 표면에 일치하거나 거의 일치한다.
가공되는 내부 특징부들 주위에서 폐쇄된 경로를 따라가는 동안 기질(300)의 하부로부터 상부까지 재료를 제거하여 커프(320)의 레이저 가공이 진행된다. 도 3의 예에서 둥근 모양일 수 있는 특정 내부 특징부를 위해 반경 (D2)이 선택된다고 가정할 때, 상기 관통- 절단부를 위한 폭(Δ)이 선택될 수 있고 형성된 내부 블랭크(318)를 깨끗하게 제거하여 단지 내부 특징부가 남게 된다. 일단 폭(Δ)이 선택되면 상기 재료를 제거하기 위해 요구되는 레이저 펄스들의 통과 또는 커프 통과(kerf pass)의 횟수는, 커프 단계로서 언급되는 통과들사이의 중첩부(overlap)를 뺀 레이저 스폿 크기로 상기 관통-절단부의 폭(Δ)을 나누어서 계산될 수 있다. 폐쇄된 경로 주위에서 커프 단계(Kerf Step)의 통과횟수를 곱하여 산출된 폭(Δ)은 아래 식을 따른다:
Δ = 커프 단계 x 커프 통과 (2)
원하는 내부 특징부의 반경(D2)은 하기 식에 의해 관통- 절단부의 반경(D1)으로부터 계산될 수 있다:
D1 = D2 + Δ + N x 커프단계 (3)
단 N은 예를 들어, 1 내지 3사이의 값을 가질 수 있는 정수이다. 10μm의 촛점 스폿크기 및 N = 2인 값을 가정할 때, 상기 식은 상기 관통- 절단부의 외측 변부(314)와 약 13 내지 15μm를 가진 트렌치(312)의 외측 변부사이에서 거리(D3)를 산출한다. 외측 변부(314)와 내측 변부(316)사이에서 재료를 제거하여 상기 관통- 절단부 또는 블랭크(318)는 기질로부터 완전히 자유롭게 되고 연속해서 폐기될 수 있다.
펄스형태인 레이저 빔의 빔 웨이스트가 하부 표면(306)으로부터 강화 유리 기질(300)의 상부 표면(302)에 접근할 때, 상부 표면(302)이 하부로부터 에너지에 노출됨에 따라 커프를 확대시키기 위해 칩을 발생시키는 레이저 펄스들은 어느 정도의 크랙킹을 발생시킬 수 있다. 상부 표면(302)에 또는 근처에서 레이저 펄스들에 의해 형성되는 크랙들이 상기 관통- 절단부의 외측 변부(314)와 트렌치(312)사이의 영역에 포함될 수 있어서, 상부 표면(302)내에서 크랙의 제어되지 않은 전파를 방지한다. 블랭크(318)내에서 발생되는 크랙들은 블랭크(318)를 따라 폐기될 수 있다.
선택적 실시예에서, 상기 내부 특징부를 결과물로서 발생시키기 위해 두- 단계의 과정이 이용될 수 있다. 즉, 중의 절단 부분을 블랭크로서 폐기하는 대신에, 외측 부분이 불필요한 부분으로 고려될 수 있어서 내부 특징부로 형성되는 결과물을 위해 매끄러운 외측 변부가 발생된다. 이것은 도 3에 도시된 것처럼 외측과 반대로 상기 특징부의 내측에 그루브 또는 트렌치(312)를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
도 4는 강화 유리 기질(400A- 400D)내에 가공되는 내부 특징부들의 예들을 도시한다. 도 4는 기질(400A)내에 가공되고 둥글게 형성된 (2mm의 반경을 가진) 코너들을 가지는 10mm 정사각형(402)들, 기질(400B)내에 가공된 10mm 원(404)들, 기질(400C)내에 가공되고 코너들에서 0.5mm 반경을 가진 10mm x 1mm 슬롯(406)들, 및 기질(400D)내에 가공된 1mm 원(408)들을 도시한다. 내부 특징부들의 특징부에 의하면, 내부 블랭크가 가공에 의해 형성되는 경우에 상기 내부 블랭크는 폐기될 수 있다. 따라서, 내부 블랭크에 발생된 모든 크랙들이 폐기될 수 있다. 도 4에서, 10mm 정사각형(402)들 중 한 개를 위한 내부 블랭크(410) 및 10mm 원(404)들 중 한 개를 위한 내부 블랭크(412)가 도시된다. 상기 가공에 의해 형성된 내부 블랭크들이 제거되었다는 점에서 도 4의 나머지 내부 특징부들이 피니싱(finished)처리된다. 예를 들어, 기질(400A- 400D)들은 각각 0.7mm 두께를 가지고 일차 중심 인장(C.T.)값을 가진 강화유리로 제조된다. 120 개의 절단부 특징부들에 대해 산출율은 100%였다. 절단속도는 정사각형(402)들, 원(404)들 및 슬롯(406)들에 대해 약 1.7mm/s였지만, 원(408)들은 이용된 스캔 헤드의 제한에 의해 상대적으로 느린 속도를 요구하였다. 또 다른 예에서, 기질(400A- 400D)들은 각각 0.4mm의 두께를 가지고 상기 일차 중심 인장(C.T.)값보다 큰 이차 중심 인장(C.T.)값을 가진 강화유리로 제조된다. 120 개의 절단부 특징부들에 대해 산출율은 100%였다. 절단속도는 정사각형(402)들, 원(404)들 및 슬롯(406)들에 대해 약 2.38mm/s였지만, 원(408)들은 이용된 스캔 헤드의 제한에 의해 상대적으로 느린 속도를 요구하였다.
도 5A- 5D는 공개된 실시예들의 특징을 따르는 강화 유리 기질내에 레이저 가공된 1mm 라운드 구멍을 보여주는 사진들이다. 도 5A는 상기 구멍의 변부를 보여주는 상부 표면을 보여주는 사진이다. 도 5B는 관련된 하부 표면으로부터 촬영된 동일한 변부를 보여준다. 도 5C는 도 5A 및 도 5B의 해상도보다 낮은 해상도를 가지며 상부 표면을 촬영한 전체 1mm 구멍을 보여주는 사진이다. 도 5D는 하부 표면으로부터 촬영되고 도 7C의 구멍과 동일한 구멍을 보여주는 사진이다. 모든 변부들이 손상되지 않고, 매끄러우며 크랙이 없는 것을 주목한다.
여기서 설명에 의하면, 레이저 표시(scribing)의 첫번 째 단계는 원하는 절단부의 형상(내부 특징부라고도 언급됨)을 형성하는 폐쇄된 경로를 따라 강화유리 시트의 상부 영역내에 한 개이상의 얕은 그루브들을 형성한다. 다음에, 레이저는 강화유리의 하부에 집중되어 상기 유리는 레이저를 절단 선으로 리포커싱하여 유리는 하부로부터 상부까지 직접적인 제거를 이용하여 절단된다. 크랙들과 칩핑이 상기 그루브에 의해 한정되어 칩핑없는 매우 양호한 변부품질이 구해질 수 있다. 절단은 상대적으로 높은 속도로 발생할 수 있고 수 백 미크론의 작은 특징부들가 이용될 수 있다. 1mm 내지 10mm의 두께 범위를 가진 유리가 시험되고 100% 산출을 형성한다(즉, 크랙킹 또는 칩핑에 의한 제품 손실이 없다).
상기 실시예들은 본 발명을 용이하게 이해하기 위해 설명되었고 본 발명을 제한하지 않는다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 및 사상에 포함되는 다양한 수정예들과 동등한 배열들을 포함하도록 의도되고, 법에 의해 허용되는 상기 모든 수정예들과 동등한 구조를 포함하도록 상기 범위는 가장 넓은 해석과 부합해야 한다.

Claims (20)

  1. 방법으로서, 상기 방법이:
    강화 유리 시트의 제 1 표면과 근접한 제 1 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하는 단계;
    상기 촛점 스폿이 상기 제 1 위치에 있는 동안 레이저를 이용하여 폐쇄된 경로를 따라 상기 강화 유리 시트로부터 재료를 제거하여, 상기 폐쇄된 경로를 따라 연장되는 강화 유리 시트의 제 1 표면에 그루브를 형성하는 단계;
    상기 그루브를 형성한 후에, 상기 강화 유리 시트의 제 2 표면과 근접한 제 2 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하고, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면과 마주보는 단계; 및
    커프를 형성하는 단계를 포함하고:
    촛점이 제 2 위치에 위치하는 동안 레이저를 이용하여 제 2 위치에서 상기 강화 유리 기질로부터 재료의 층을 제거하여 새롭게- 노출된 표면을 형성하는 단계; 및
    이전의 층을 제거하여 형성된 각각의 새롭게- 노출된 표면과 근접한 위치에 촛점 스폿을 위치 재설정하여 레이저를 이용해 강화 유리 시트로부터 적어도 한 개의 추가 재료 층을 상기 새롭게- 노출된 표면으로부터 시작하고 상기 제 1 표면에서 종료하여 제거하는 단계에 의해 커프를 형성하며;
    상기 커프는 상기 폐쇄된 경로를 따라 그루브와 접촉하며 상기 강화 유리 시트의 제 1 표면과 교차하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 및 상기 제 1 표면 및 제 2 표면과 근접한 강화 유리 시트의 부분들이 압축상태이고 상기 제 1 표면 및 제 2 표면과 근접한 강화 유리 시트의 부분들사이에서 연장되는 강화 유리 시트의 내측 부분은 인장상태인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 그루브는 압축 상태인 제 1 표면과 근접한 강화 유리 기질의 일부분에 한정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 추가로:
    커프를 형성하는 동안 이용되는 레이저의 레이저 파라미터들을 설정하여 레이저로부터 발생되는 레이저 펄스들이 강화 유리 시트를 통해 전달되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 추가로:
    상기 촛점 스폿의 크기와 대략 동일한 직경을 가지며 상기 강화 유리 시트로부터 발생된 재료의 칩을 레이저 펄스가 제거하도록 레이저의 레이저 파라미터들을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저 파라미터들은 레이저 파장, 레이저 파워, 펄스 지속시간, 펄스 에너지, 펄스 반복 비율,, 편광 및 스캔 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 표면은 레이저와 가장 가까운 강화 유리 시트의 상부 표면인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 추가로:
    강화 유리 시트의 나머지 영역으로부터 폐쇄 경로에 의해 둘러싸이는 강화 유리 시트의 영역을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 커프의 외측 변부는 폐쇄된 경로를 따라 그루브의 외측 변부와 접촉하며 강화 유리 기질의 제 1 표면과 교차하고, 상기 커프의 외측 변부와 그루브의 외측 변부는 폐쇄된 경로에 의해 형성되는 형상에 대해 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 커프의 내측 변부는 폐쇄된 경로를 따라 그루브의 내측 변부와 접촉하며 강화 유리 기질의 제 1 표면과 교차하고, 상기 커프의 내측 변부와 그루브의 내측 변부는 폐쇄된 경로에 의해 형성되는 형상에 대해 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄된 경로는 둥근 변부들을 가진 정사각형, 원 또는 둥근 변부들을 가진 노치 중 한 개를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는 복수 개의 레이저들 중 한 개이고, 상기 강화 유리 시트의 제 2 표면과 근접한 제 2 위치에 대해 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하는 단계는 상기 복수 개의 레이저들이 서로 근접하게 배열되는 동안 상기 복수 개의 레이저들의 각 레이저가 가지는 촛점 스폿을 제 2 위치를 향하게 하는 단계를 포함하고, 상기 단계는 추가로:
    커프를 형성하는 외측 변부로부터 커프를 형성하는 내측 변부까지 상기 복수 개의 레이저들을 이동시키거나 커프를 형성하는 내측 변부로부터 커프를 형성하는 외측 변부까지 상기 복수 개의 레이저들을 이동시켜서 커프를 형성하도록 각각의 층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 복수 개의 레이저들의 촛점 스폿들은 직선, 곡선 또는 육각형 배열 중 한 개내에 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 장치로서, 상기 장치가:
    메모리; 및
    프로세서를 포함하고 상기 프로세서는:
    강화 유리 시트의 제 1 표면과 근접한 제 1 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하고;
    상기 촛점 스폿이 상기 제 1 위치에 있는 동안 레이저를 이용하여 폐쇄된 경로를 따라 상기 강화 유리 시트로부터 재료를 제거하여 상기 폐쇄된 경로를 따라 연장되는 강화 유리 시트의 제 1 표면에 그루브를 형성하며;
    상기 그루브를 형성한 후에, 상기 강화 유리 시트의 제 2 표면과 근접한 제 2 위치에 레이저의 촛점 스폿을 향하게 하고, 상기 제 2 표면은 상기 제 1 표면과 마주보며; 및
    커프를 형성하고 커프를 형성하기 위해:
    촛점이 제 2 위치에 위치하는 동안 레이저를 이용하여 제 2 위치에서 상기 강화 유리 기질로부터 재료의 층을 제거하여 새롭게- 노출된 표면을 형성하고; 및
    이전의 층을 제거하여 형성된 각각의 새롭게- 노출된 표면과 근접한 위치에 촛점 스폿을 위치 재설정하여 레이저를 이용해 강화 유리 시트로부터 적어도 한 개의 추가 재료 층을 상기 새롭게- 노출된 표면으로부터 시작하고 상기 제 1 표면에서 종료하여 제거하기 위해 상기 메모리내에 저장된 명령들을 수행하도록 구성되며;
    상기 커프는 상기 폐쇄된 경로를 따라 그루브와 접촉하며 상기 강화 유리 시트의 제 1 표면과 교차하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 그루브의 깊이는 그루브가 인장상태인 강화 유리 시트의 내측 부분과 접촉하지 않도록 압축상태인 제 1 표면과 인접한 강화 유리 시트의 외부 표면의 깊이로 제한되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 프로세서는:
    레이저로부터 발생된 레이저 펄스들이 강화 유리 시트를 통해 전달되도록 커프를 형성하는 동안 이용되는 레이저의 레이저 파라미터들을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 프로세서는:
    레이저 펄스가 강화 유리 시트로부터 재료의 칩을 제거하도록 레이저의 레이저 파라미터들을 설정하고, 상기 칩은 촛점 스폿의 크기와 대략 동일한 직경을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 레이저의 파장은 약 515 nm인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 14 항에 있어서, 폐쇄된 경로는 둥근 변부들을 가진 정사각형, 원형 또는 둥근 변부들을 가진 노치 중 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 14 항에 있어서, 추가로:
    레이저;
    레이저 조종 광학장치;
    레이저 필드 광학장치; 및
    적어도 한 개의 이동 스테이지를 포함하고; 상기 레이저, 레이저 조종 광학장치, 레이저 필드 광학장치 및 적어도 한 개의 이동 스테이지는 프로세서에 의해 레이저 펄스들을 상기 레이저로부터 상기 레이저 필드 광학장치를 향하게 하여:
    레이저의 촛점 스폿을 제 1 위치로 향하게 하고;
    상기 촛점 스폿이 제 1 위치에 있을 때 레이저를 이용하여 폐쇄된 경로를 따라 상기 강화 유리 시트로부터 재료를 제거하며;
    레이저의 촛점 스폿을 상기 제 2 위치를 향하게 하고; 및
    커프를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
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